论文标题：Polyimide-Based Dielectric Materials for High-Temperature Capacitive Energy Storage

论文链接：https://www.mdpi.com/2673-3978/5/4/19

期刊名：Electronic Materials

期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/electronicmat

研究背景

随着混合动力汽车、航空航天等尖端领域的飞速发展，能在高温下稳定、高效运行的介电电容器已成为迫切需求。然而，目前广泛商用的BOPP电容器工作温度上限低于105°C，难以满足前沿应用的严苛要求。在此背景下，聚酰亚胺凭借其卓越的热稳定性、高击穿强度、优异的力学性能及易于合成改性的特点，成为构筑下一代高温电容储能材料的理想之选。尽管如此，高性能聚酰亚胺在高温高电场下，电导损耗会急剧增大，导致放电能量密度与充放电效率显著衰减；同时，其难熔难溶的特性也为高质量薄膜的加工制造带来挑战。因此，本文旨在系统评述聚酰亚胺基介电材料的最新进展，聚焦于通过精巧的分子组成与空间构型设计，协同提升其介电常数、击穿强度、放电能量密度及充放电效率，以期突破技术瓶颈，推动其在高温电容器领域的实际应用。

研究内容

文章开篇首先明确了介电常数、介电损耗、击穿强度、放电能量密度与充放电效率等评估电容储能性能的核心参数，并强调了热稳定性、热导率及自愈能力在高温应用中的重要性。随后，文章对Kapton、UPILEX、Ultem等主流商业化聚酰亚胺薄膜的介电性能进行了系统梳理。结果表明，尽管这些材料的玻璃化转变温度普遍超过300°C，但在150°C高温下，Kapton的放电能量密度骤降至约0.5 J/cm³，充放电效率不足20%，其主因在于急剧增大的电导损耗。相比之下，UPILEX-S和Ultem则表现出更优越的性能，在同等条件下分别实现了2.5 J/cm³和1.0 J/cm³的放电能量密度。

随后，文章深入探讨了近年来通过分子链改性提升全有机聚酰亚胺基聚合物储能性能的研究进展。研究表明，在聚酰亚胺主链中引入高极性基团（如氰基–CN）或刚性单元（如联嘧啶），可在保持良好热稳定性的同时，显著提高材料的介电常数。例如，含联嘧啶单元的聚酰亚胺介电常数可高达7.1，同时仍能维持291°C的玻璃化转变温度。通过在二胺单体中引入不同的连接基团（如–O–、–CH₂–、–SO₂–）并调控重复单元的长度与连接位置，研究者得以系统地揭示分子结构与介电性能之间的构效关系。基于此，研究总结出一条实现多性能协同优化的有效路径：即引入高极性基团以增大偶极矩，引入柔性醚键以促进偶极转向，并保留刚性芳香骨架以维持高玻璃化转变温度，从而实现高介电常数、低介电损耗与高热稳定性的兼顾。

此外，文章还介绍了一种前沿的研究范式—即借助机器学习方法构建聚酰亚胺衍生聚合物库，并对12种预测结构进行了实验验证。研究发现，结构单元直接决定了材料的玻璃化转变温度与能带隙。而一个更为关键的发现是，当聚合物能带隙超过临界值（约3.3 eV）后，决定其高温高场绝缘性能的主导因素，便从能带隙转变为由相邻共轭平面间二面角所代表的空间结构。最具代表性的例证是PI-oxo-iso，尽管其能带隙仅为3.5 eV，却因拥有最大的二面角（81.3°），反而展现出最高的放电能量密度与优异的充放电效率。这一发现为设计高性能储能聚酰亚胺提供了颠覆性的思路：即在保证足够宽能带隙的前提下，应优先考虑增大分子链的扭转角度，以有效抑制电荷传输。

图为自清洁机制示意图。

研究总结

本文系统评述了聚酰亚胺基介电材料在高温电容储能领域的最新研究进展。文章从关键性能参数切入，对比了商业化聚酰亚胺薄膜的性能局限，并深入剖析了通过分子链改性与空间构型设计提升其储能性能的两大核心策略。研究明确指出，无论是通过在分子主链中引入高极性/刚性单元的传统方法，还是借助机器学习指导的分子设计新范式，均能有效调控聚酰亚胺的介电常数、击穿强度及高温稳定性。尤为关键的是，研究揭示了大二面角空间结构在抑制高温电导、提升储能效率中的决定性作用，为开发下一代高性能高温介电聚合物提供了重要的理论指导和全新的设计范式。这些成果不仅深化了对聚酰亚胺介电性能物理本质的认知，也为突破传统介电材料的高温应用瓶颈开辟了新途径，对推动我国在新能源汽车、航空航天及高端电力电子装备等领域的核心技术发展具有深远的战略意义。

引用格式

Liu, L.; Li, L.; Zhang, S.; Xu, W.; Wang, Q. Polyimide-Based Dielectric Materials for High-Temperature Capacitive Energy Storage. Electron. Mater. 2024, 5, 303-320. https://doi.org/10.3390/electronicmat5040019

Electronic Materials期刊介绍

主编：Prof. Dr. Wojciech Pisula, Max Planck Institute for Polymer Research, Germany; Lodz University of Technology, Poland

期刊领域涵盖基础科学、工程和电子材料的实际应用等方面内容。期刊主题包括但不限于：用于电子和微电子器件的电子材料，包括介电材料、半导体；材料的集成、生长和加工；集成电路器件、互联、绝缘体和场发射应用材料；电子材料建模，包括密度泛函理论方法、分子动力学等；以及电子材料的表征等。期刊目前已被Scopus、Ei Compendex、CNKI、DOAJ、EBSCO、OpenAIRE等数据库收录。